不同雨型條件下圍堰邊坡滲流穩(wěn)定性數(shù)值分析

孫 洋，羅 偉，，榮 耀，李佳寶

（1. 江西省交通科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200； 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

在水利水電設(shè)施的修建過程中，大多數(shù)建筑物修筑需要在隔水環(huán)境下作業(yè)，通過修建圍堰，能夠盡量避免水體作用對(duì)工程造成的不利影響，保障排水、基坑開挖、建筑物修筑的順利進(jìn)行。 圍堰作為土木水利工程修筑的重要設(shè)施，其穩(wěn)定性對(duì)工程建設(shè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等至關(guān)重要[1-3]。

在工程建設(shè)施工完成進(jìn)入正常運(yùn)營狀況后，對(duì)庫岸堰坡穩(wěn)定性造成影響的外界因素主要為降雨過程中雨水的滲透作用[4-11]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)降雨條件下堰體穩(wěn)定性變化情況進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)。 史振寧等[12]結(jié)合非飽和土抗剪強(qiáng)度理論與極限平衡理論，設(shè)計(jì)降雨入滲試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，探究土體初始含水率分布狀態(tài)及降雨入滲條件下土體含水量變化規(guī)律。Casagli 等[13]模擬了多種類型滑坡的滲流過程，通過研究土體內(nèi)正負(fù)孔隙水壓力以及邊坡穩(wěn)定性的變化情況， 發(fā)現(xiàn)坡體最不穩(wěn)定是在降雨量到達(dá)高峰后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。周璐等[14]采用Abaqus 有限元軟件，考慮不同降雨條件， 研究砂礫體圍堰中軸面和背水面的滲流及穩(wěn)定性規(guī)律。 目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)降雨條件下圍堰穩(wěn)定性研究仍有不足， 尤其是對(duì)不同雨型條件下圍堰穩(wěn)定性的變化規(guī)律方面的研究需進(jìn)一步完善。

1 工程概況

依托江西省某航電樞紐圍堰工程展開研究，正常蓄水位為15 m。 所處流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，單測站年最大降雨量2 833.9 mm，年最小降雨量923.7 mm，多年平均降雨量為1 820.5 mm。 持續(xù)性強(qiáng)降雨多發(fā)生在6月， 平均每次過程持續(xù)2～3 d， 單日最大降雨量為178.4～287.2 mm，以單峰型降雨為主，峰區(qū)主要集中在降雨中后期。

據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示其覆蓋層上部為0.40～5.20 m 厚粉質(zhì)粘土，中等透水性；覆蓋層中部為粉細(xì)砂、中細(xì)砂等，松散狀，中強(qiáng)透水性，分布連續(xù)，場均均有分布。 為了提高建模分析的準(zhǔn)確性，在圍堰洪水期拆除之時(shí)， 進(jìn)行現(xiàn)場取樣并完成土工試驗(yàn)，進(jìn)而獲取實(shí)際圍堰填筑材料的物理力學(xué)特性。

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 Geo-Studio 數(shù)值模擬

Geo-Studio 是適用于巖土工程模擬計(jì)算的仿真分析軟件，結(jié)合軟件自帶模塊中的邊坡穩(wěn)定分析模塊SLOPE/W 與穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流模塊SEEP/W，通過選取庫中的典型土壤參數(shù)，或輸入土水函數(shù)曲線以及水力傳導(dǎo)曲線等材料參數(shù)來進(jìn)行模型的構(gòu)建，基于滲流情況運(yùn)用極限平衡法中的Morgenstern-Price 對(duì)堰體的穩(wěn)定特性進(jìn)行分析[15-17]。

2.2 模型建立

以江西省某航電樞紐項(xiàng)目圍堰為依托，根據(jù)地質(zhì)勘查資料與土工試驗(yàn)確定土體物理力學(xué)性能參數(shù)（見表1），按二維問題對(duì)其進(jìn)行降雨條件下的滲流場數(shù)值計(jì)算和穩(wěn)定性分析。表1 中γ 為容重，φ 為內(nèi)摩擦角，c 為黏聚力，k 為滲透系數(shù)，θs為飽和體積含水量。

表1 圍堰材料主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Main physical and mechanical property parameters of cofferdam materials

假設(shè)堰體為均質(zhì)材料，構(gòu)建長80 m，高20 m，堰體高10 m 的簡化模型，上下游堰坡坡比均為1∶2，網(wǎng)格剖分為1 193 個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 107 個(gè)單元。 左側(cè)擬定上游初始水位15 m，右側(cè)擬定下游水位10 m，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明降雨對(duì)上下游水位影響較小，故在分析中假定上、下游水位保持恒定，均設(shè)置為相應(yīng)定水頭邊界；基礎(chǔ)底部設(shè)置為不透水邊界；坡頂和坡面設(shè)置為降雨邊界。 在堰體中部設(shè)置一條觀測斷面以分析堰體內(nèi)孔隙水壓力變化情況（圖1）。

圖1 圍堰模型尺寸及網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Model size of cofferdam and meshing diagram

土體材料的體積含水量函數(shù)由于其相關(guān)參數(shù)的及時(shí)獲取難度較大， 為便于研究， 采用1980 年Van[18]提出的閉合基質(zhì)吸力函數(shù)來描述土的體積含水量及滲透系數(shù)的計(jì)算模型

式中：θw為體積含水量；kw為指定基質(zhì)吸力計(jì)算所得滲透系數(shù)，m/s；θr為殘余含水量；θs為飽和體積含水量；ks為飽和滲透系數(shù)，m/s；ψ 為負(fù)孔隙水壓力，Pa；a，m，n 為曲線擬合參數(shù)，n＞1，且n=1/(1－m)。

根據(jù)材料參數(shù)擬合出體積含水量函數(shù)與滲透系數(shù)曲線結(jié)果如圖2，圖3 所示。

圖2 體積含水量函數(shù)Fig.2 Water content volume function

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)Fig.3 Permeability coefficient function

運(yùn)用穩(wěn)態(tài)分析得到邊坡內(nèi)孔隙水壓力、體積含水量的分布規(guī)律，以設(shè)置模型的初始條件。 由于堰體材料的入滲能力受體積含水量變化的影響，入滲流量并不完全等同于降雨量，需要對(duì)堰坡表面的流量設(shè)置不同的邊界條件。 當(dāng)降雨強(qiáng)度較大，超出堰坡表面土體入滲能力時(shí)，設(shè)置該表面入滲速率與土體入滲能力相等；當(dāng)降雨強(qiáng)度較小，低于堰坡表面土體入滲能力時(shí)， 降雨強(qiáng)度即為該表面的入滲速率。 在本文的分析中，不考慮蒸騰作用對(duì)堰坡滲流場的影響。

2.3 方案設(shè)計(jì)

研究中依次設(shè)定了360，600，840 mm 3 種累積雨量，降雨持時(shí)3 d，并設(shè)置前、中、后峰及均勻型4種不同雨型來模擬降雨條件下堰體內(nèi)部滲流場的變化規(guī)律，具體設(shè)計(jì)方案見圖4。

圖4 840 mm 雨型方案設(shè)計(jì)Fig.4 840 mm rain pattern scheme design

3 圍堰滲流穩(wěn)定性分析

初始條件下圍堰內(nèi)部孔隙水壓力分布情況如圖5 所示，均勻型降雨情況下觀測斷面孔隙水壓力隨時(shí)間演化情況如圖6 所示。

圖5 初始條件下孔隙水壓力云圖（單位：kPa）Fig.5 Pore water pressure nephogram under initial conditions（Unit：kPa）

圖6 均勻型降雨下觀測斷面孔隙水壓力隨時(shí)間演化情況Fig.6 Pore water pressure evolution of section with time under uniform rainfall

在降雨前期， 由于堰體表層土體還比較干燥，土體的體積含水量與滲透系數(shù)較低，該階段土體具有極強(qiáng)的入滲能力， 一旦少量雨水開始入滲時(shí)，就會(huì)形成很高的吸力梯度。 降雨開始后坡頂處孔隙水壓力迅速提高，雨水滲入表層土體后在壓力作用下不斷向下滲透；隨著降雨的持續(xù)，雨水持續(xù)入滲坡體內(nèi)部，堰體內(nèi)部孔隙水壓力逐漸增大，這會(huì)導(dǎo)致土體有效應(yīng)力減小，最終弱化堰體抗剪強(qiáng)度，對(duì)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。 在降雨結(jié)束后，表層土體缺乏雨水補(bǔ)給后孔隙水壓力逐漸消散，而深層土體孔隙水壓力保持上升趨勢，直至第4 天才開始緩慢消散， 第6 天時(shí)圍堰內(nèi)部17 m 處僅恢復(fù)至初始孔隙水壓力的72.8%， 這表明降雨對(duì)堰體影響具有滯后性，雨停后依舊對(duì)堰體深部滲流場造成影響。 為探究雨型對(duì)堰坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理， 取總降雨量840 mm 時(shí)， 對(duì)4 種雨型下不同深度的坡內(nèi)土體滲透系數(shù)進(jìn)行分析，如圖7 所示。

圖7 840 mm 不同雨型下滲透系數(shù)變化曲線Fig.7 840 mm variation curve of permeability coefficient under different rain patterns

前峰雨型初期雨強(qiáng)較大，堰坡表面土體初始飽和度較低，滲透系數(shù)較低，雨水供給速度大于雨水消散速度，導(dǎo)致表層土體在大量雨水作用下迅速飽和，形成暫態(tài)飽和區(qū)，部分雨水以地表徑流形式流走；隨著降雨進(jìn)行，表層土體體積含水量升高，入滲能力隨之增強(qiáng)，加速雨水向坡體內(nèi)入滲，坡內(nèi)土體滲透系數(shù)逐漸上升，入滲飽和區(qū)增大，土體抗剪強(qiáng)度降低，由于前峰型降雨中后期雨量較小，外層土體雨量供給不足， 雨水消散速度大于供給速度，飽和度開始下降；后峰雨型堰坡表層土體在前中期降雨的作用下體積含水量升高，導(dǎo)致后期雨量較大時(shí)土體滲透系數(shù)處于較高水平，大量雨水能夠迅速滲入土層內(nèi)部，堰坡土體強(qiáng)度大幅下降。

由安全系數(shù)變化曲線可知：在不同累計(jì)降雨總量下，初期前峰型安全系數(shù)下降速率最快，隨后依次為均勻型、中峰型、后峰型，表明降雨初期雨量越大，堰體穩(wěn)定性降低越快；不同累計(jì)降雨量下，在降雨結(jié)束時(shí)刻， 均為后峰型條件下堰體安全系數(shù)最低，降雨1.5 d 后，前峰、中峰雨型下堰體安全系數(shù)依次開始回升，均勻型與后峰型安全系數(shù)均在停雨后開始回升，由于后峰雨型后期雨量較大，堰體內(nèi)部孔隙水壓力需要更長時(shí)間消散，安全系數(shù)需更長時(shí)間回升至初始狀態(tài)；不同雨型對(duì)堰體強(qiáng)度滯后性的影響由大到小依次為：后峰型，均勻型，中峰型，前峰型，如圖8 所示。

圖8 不同雨型及累計(jì)降雨量下安全系數(shù)變化曲線Fig.8 Variation curve of safety factor under different rain types and cumulative rainfall

上述分析結(jié)果表明：降雨過程中，堰體穩(wěn)定性隨降雨時(shí)長逐漸降低，在降雨初期，雨強(qiáng)越大，堰坡穩(wěn)定性下降幅度越大，相同雨量下，后峰型降雨對(duì)堰坡土體穩(wěn)定性影響最大，初期安全系數(shù)降低速率最快的是前峰雨型， 但其對(duì)堰體穩(wěn)定性的影響最小，后峰型降雨對(duì)堰體穩(wěn)定性的影響最大。

4 結(jié)論

通過模擬江西省某航電樞紐圍堰工程降雨入滲過程， 分析不同雨型條件堰體穩(wěn)定性變化情況，得出以下結(jié)論。

1） 降雨對(duì)堰體影響具有滯后性，雨停后依舊對(duì)堰體深部滲流場造成影響，不同雨型對(duì)堰體強(qiáng)度滯后性的影響由大到小依次為：后峰型、均勻型、中峰型、前峰型，且降雨強(qiáng)度越大，滯后性越強(qiáng)。

2） 降雨入滲作用的影響程度不僅僅由降雨總量決定，同時(shí)也受降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間影響，同等降雨量情況下，堰體的安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度峰值出現(xiàn)而驟減，越先出現(xiàn)雨強(qiáng)峰值的初期安全系數(shù)降低速率越快，峰值出現(xiàn)時(shí)間越晚，總體安全系數(shù)下降的幅度越大，對(duì)堰體的穩(wěn)定性越不利。

3） 堰體初始情況下含水量較低，土體滲透系數(shù)較弱，對(duì)初期強(qiáng)降雨具有一定的抵抗能力；在降雨持續(xù)一段時(shí)間后，堰坡內(nèi)土體含水量升高，土體滲透系數(shù)將處于一個(gè)高水平狀態(tài)，此時(shí)若面臨突發(fā)強(qiáng)降雨，坡內(nèi)將滲入大量雨水，大幅影響土體抗剪強(qiáng)度，對(duì)堰坡整體穩(wěn)定性極為不利，建設(shè)單位在多發(fā)單峰強(qiáng)降雨的夏季應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)圍堰的防排水措施，以消除事故隱患，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。